JPH07146149A - 振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ドリフトを抑制することができ、かつ調整の
簡略化を図ることができる振動ジャイロを得る。 【構成】 振動ジャイロ１０は、柱状の振動体１４と圧
電素子１６ａ，１６ｂ，１６ｃとからなる振動子１２を
含む。振動体１４を屈曲振動させるために、圧電素子１
６ａ，１６ｂ間に発振回路２８および位相補正回路３０
を接続する。同期信号発生回路３８，５８において、圧
電素子１６ａ，１６ｂのそれぞれの出力信号に同期した
信号をつくる。これらの信号を同期検波回路としてのＦ
ＥＴ３６，５６に入力する。圧電素子１６ａ，１６ｂの
出力信号を、ＦＥＴ３６，５６を用いて、同期信号発生
回路３８，５８の出力信号に同期して検波する。同期検
波した信号を平滑回路５０，７０に入力し、平滑回路５
０，７０の出力信号を差動回路７２に入力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は振動ジャイロに関し、
特にたとえば、柱状の振動体の屈曲振動を利用して回転
角速度を検出するための振動ジャイロに関する。

【０００２】

【従来の技術】図９は従来の振動ジャイロの一例を示す
図解図である。振動ジャイロ１は、たとえば正３角柱状
の振動体２を含む。振動体２の側面には、圧電素子３
ａ，３ｂ，３ｃが形成される。圧電素子３ａ，３ｂは振
動体２を屈曲振動させるための駆動用として用いられる
とともに、回転角速度に対応した信号を得るための検出
用としても用いられる。また、圧電素子３ｃは、振動体
２を屈曲振動させるときの帰還用として用いられる。圧
電素子３ａ，３ｂには可変抵抗器４が接続され、この可
変抵抗器４と圧電素子３ｃとの間に発振回路５および位
相補正回路６が接続される。さらに、圧電素子３ａ，３
ｂは、差動回路７の入力端に接続される。この差動回路
７の出力信号は同期検波回路８で同期検波される。そし
て、同期検波された信号は、平滑回路９で平滑される。

【０００３】この振動ジャイロ１では、通常、無回転時
には、発振回路５および位相補正回路６から圧電素子３
ａ，３ｂに信号が与えられ、振動体２が圧電素子３ｃ形
成面に直交する方向に屈曲振動する。このとき、可変抵
抗器４を調整することにより、圧電素子３ａ，３ｂのキ
ャパシタンスと可変抵抗器４の抵抗値との関係が調整さ
れる。このようにインピーダンス調整を行うことによっ
て、差動回路７に入力される信号の位相を揃え、差動回
路７からの出力信号を０にしている。この状態で振動体
２の軸を中心として回転すると、コリオリ力によって振
動体２の振動方向が変わる。それによって、圧電素子３
ａ，３ｂの出力信号に差が生じ、差動回路７から出力信
号が得られる。また、振動体２を励振するための励振信
号を基にして同期信号がつくり出される。そして、同期
検波回路８において、得られた同期信号に同期して差動
回路７の出力信号が検波される。さらに、同期検波され
た信号が、平滑回路９で平滑される。差動回路７の出力
信号は回転角速度に対応した信号であるため、平滑回路
９の出力信号を測定することにより、振動ジャイロ１に
加わった回転角速度を検出することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような振動ジャイ
ロでは、可変抵抗器を調整することによって無回転時の
差動回路の出力を０にしている。ところが、雰囲気温度
の変化などにより圧電素子のキャパシタンスが変動した
りすると、差動回路に入力される信号に位相差が生じ、
差動回路から出力信号が出てしまうことになる。このよ
うな出力信号がドリフトとなり、回転角速度の検出誤差
となる。そのため、可変抵抗器を調整しなおして、無回
転時の差動回路の出力を０に調整しなければならない。

【０００５】その他にも、ドリフトを抑制するための手
段が考案されているが、回路が複雑であったり、調整が
難しかったり、特定の条件下でしか効果が見られないな
どの欠点があった。

【０００６】それゆえに、この発明の主たる目的は、ド
リフトを抑制することができ、かつ調整の簡略化を図る
ことができる振動ジャイロを提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明は、柱状の振動
体と、振動体の側面に形成される複数の圧電素子と、圧
電素子のそれぞれの出力信号に同期した信号を出力する
ための複数の同期信号発生回路と、同期信号発生回路の
出力信号に同期して圧電素子のそれぞれの出力信号を検
波するための複数の同期検波回路と、同期検波回路のそ
れぞれの出力信号を平滑するための複数の平滑回路と、
平滑回路の出力信号の差を得るための差動回路とを含
む、振動ジャイロである。

【０００８】

【作用】同期信号発生回路において、各圧電素子の出力
信号に同期した信号が得られる。この同期信号に同期し
て、各圧電素子の出力信号が同期検波される。同期検波
された信号は、振動体を駆動するための駆動信号と回転
角速度に対応した信号との合成信号となる。この信号を
平滑することによって、直流信号が得られる。このと
き、駆動信号成分が相殺されるように圧電素子の出力信
号を同期検波しておけば、回転角速度に対応した信号成
分のみが直流信号として得られる。これらの直流信号の
差が、差動回路から出力される。

【０００９】

【発明の効果】この発明によれば、各圧電素子の出力信
号から、出力される回転角速度に対応した信号成分のみ
を直流信号として得ることができる。これらの直流信号
の差を測定することによって、回転角速度を検出するこ
とができる。このとき、差動回路から出力される信号は
直流信号の差であるため、各圧電素子の出力信号に位相
差があっても、その位相差によるドリフトは発生しな
い。したがって、雰囲気温度が変化して、各圧電素子の
出力信号の位相差が変動しても、差動回路の出力信号に
は影響がない。そのため、ドリフトを抑制するための調
整を簡略化することができる。また、ドリフトの発生を
抑制することができるため、正確に回転角速度を検出す
ることができる。

【００１０】この発明の上述の目的，その他の目的，特
徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳
細な説明から一層明らかとなろう。

【００１１】

【実施例】図１はこの発明の一実施例を示す図解図であ
る。振動ジャイロ１０は、振動子１２を含む。振動子１
２は、図２に示すように、たとえば正３角柱状の振動体
１４を含む。振動体１４は、たとえばエリンバ，鉄−ニ
ッケル合金，石英，ガラス，水晶，セラミックなど、一
般的に機械的な振動を生じる材料で形成される。

【００１２】振動体１４の側面には、圧電素子１６ａ，
１６ｂおよび１６ｃが形成される。圧電素子１６ａは、
図３に示すように、圧電セラミックなどで形成された圧
電板１８ａを含み、その両面に電極２０ａ，２２ａが形
成されている。そして、一方の電極２２ａが、振動体１
４に貼着されている。同様に、圧電素子１６ｂ，１６ｃ
は圧電板１８ｂ，１８ｃを含み、その両面に電極２０
ｂ，２２ｂおよび電極２０ｃ，２２ｃが形成されてい
る。そして、これらの圧電素子１６ｂ，１６ｃの一方の
電極２２ｂ，２２ｃが、振動体１４に貼着されている。
圧電素子１６ａ，１６ｂは、振動体１４に屈曲振動を与
えるための駆動用として用いられるとともに、回転角速
度に対応した信号を得るための検出用としても用いられ
る。また、圧電素子１６ｃは、振動体１４を屈曲振動さ
せるときの帰還用として用いられる。

【００１３】圧電素子１６ａ，１６ｂには、それぞれ抵
抗２４，２６が接続される。そして、これらの抵抗２
４，２６と帰還用の圧電素子１６ｃとの間に発振回路２
８および位相補正回路３０が接続される。これらの発振
回路２８および位相補正回路３０の信号によって、振動
体１４は、圧電素子１６ｃ形成面に直交する方向に屈曲
振動する。

【００１４】圧電素子１６ａは、バッファ３２を介して
抵抗３４に接続される。抵抗３４は同期検波回路として
用いられるＦＥＴ３６のソースに接続され、ＦＥＴ３６
のドレインは電源電圧の中間点に接続される。また、バ
ッファ３２は、同期信号発生回路３８に接続される。同
期信号発生回路３８は２つの抵抗４０，４２を含み、こ
れらの抵抗４０，４２にバッファ３２が接続される。一
方の抵抗４０は、オペアンプ４４の反転入力端に接続さ
れる。また、他方の抵抗４２は、オペアンプ４４の非反
転入力端およびコンデンサ４６に接続される。さらに、
コンデンサ４６は、電源電圧の中間点に接続される。オ
ペアンプ４４の出力端はダイオード４８のカソードに接
続され、ダイオード４８のアノードはＦＥＴ３６のゲー
トに接続される。さらに、ＦＥＴ３６のソースは、平滑
回路５０に接続される。

【００１５】また、圧電素子１６ｂは、バッファ５２を
介して抵抗５４に接続される。抵抗５４は同期検波回路
として用いられるＦＥＴ５６のソースに接続され、ＦＥ
Ｔ５６のドレインは電源電圧の中間点に接続される。ま
た、バッファ５２は、同期信号発生回路５８に接続され
る。同期信号発生回路５８は２つの抵抗６０，６２を含
み、これらの抵抗６０，６２にバッファ５２が接続され
る。一方の抵抗６０は、オペアンプ６４の反転入力端に
接続される。また、他方の抵抗６２は、オペアンプ６４
の非反転入力端およびコンデンサ６６に接続される。さ
らに、コンデンサ６６は、電源電圧の中間点に接続され
る。オペアンプ６４の出力端はダイオード６８のカソー
ドに接続され、ダイオード６８のアノードはＦＥＴ５６
のゲートに接続される。さらに、ＦＥＴ５６のソース
は、平滑回路７０に接続される。２つの平滑回路５０，
７０の出力端は、差動回路７２の入力端に接続される。

【００１６】振動子１２の圧電素子１６ａ，１６ｂに駆
動信号が与えられることによって振動体１４が屈曲振動
するが、ここでは鋸歯状の駆動信号が与えられた場合に
ついて説明する。また、圧電素子１６ａの駆動信号と圧
電素子１６ｂの駆動信号の間に、図４に示すような位相
差があるものとする。圧電素子１６ａの駆動信号は、オ
ペアンプ４４に入力されるが、抵抗４２にはコンデンサ
４６が接続されているため、図５に示すように、オペア
ンプ４４の非反転入力端に入力される信号は反転入力端
に入力される信号より遅れる。そのため、駆動信号の下
死点から上死点までの間においては、反転入力端への入
力信号のほうが非反転入力端への入力信号より高くな
る。したがって、オペアンプ４４からは、負の信号が出
力される。

【００１７】駆動信号が上死点まで達して下死点に向か
うと、オペアンプ４４の反転入力端への入力信号が非反
転入力端への入力信号より低くなった時点で、オペアン
プ４４の出力は反転して正の信号が出力される。このよ
うに、オペアンプ４４からは、駆動信号の上死点と下死
点とで極性が反転する信号が出力される。この信号が、
同期信号としてＦＥＴ３６のベースに入力される。ＦＥ
Ｔ３６は、ベースへの入力信号が負のとき非導通状態と
なり、ベースへの入力信号が正のとき導通状態となる。
したがって、抵抗３４から出力される信号は、ＦＥＴ３
６が非導通状態のときのみ平滑回路５０に入力される。
すなわち、駆動信号の下死点から上死点までの間の信号
のみが、平滑回路５０に入力される。同様にして、圧電
素子１６ｂの駆動信号の下死点から上死点までの間の信
号のみが、平滑回路７０に入力される。

【００１８】振動ジャイロ１０に回転角速度が加わって
いない場合、圧電素子１６ａ，１６ｂに発生する信号は
同じである。ところが、振動体１４の軸を中心として回
転すると、コリオリ力によって振動体１４の振動方向が
変わる。そのため、圧電素子１６ａ，１６ｂに発生する
信号に差が生じ、たとえば図４の点線で示すように、異
なる向きの信号が発生する。平滑回路５０，７０には、
駆動信号の下死点から上死点までの間の信号が入力され
るため、図６に示すように、その間の回転角速度に対応
した信号も入力される。これらの信号が、平滑回路５
０，７０で平滑される。

【００１９】平滑回路５０，７０には、鋸歯状の下死点
から上死点までの間の駆動信号が入力されるため、平滑
することによって正部分と負部分とが相殺される。した
がって、平滑回路５０，７０からは、駆動信号成分が出
力されない。平滑回路５０では、正側に大きい回転角速
度に対応した信号が平滑されるため、正の直流出力が得
られる。また、平滑回路７０では、負側に大きい回転角
速度に対応した信号が平滑されるため、負の直流出力が
得られる。これらの平滑回路５０，７０の出力信号の差
が、差動回路７２から出力される。したがって、差動回
路７２の出力信号は、図８に示すように、平滑回路５０
または平滑回路７０の出力信号より大きいものとなり、
高感度で回転角速度を検出することができる。

【００２０】このように、この振動ジャイロ１０では、
駆動信号を相殺して、回転角速度に対応した信号のみを
測定することができる。しかも、圧電素子１６ａ，１６
ｂの出力信号は同期検波したのち平滑されるため、平滑
された信号の差をとることによって位相差を無視するこ
とができる。したがって、位相差によるドリフトを抑え
ることができる。さらに、位相差を無視できるため、雰
囲気温度の変化により圧電素子１６ａ，１６ｂから得ら
れる信号の位相差が変動しても、それに合わせて可変抵
抗器などを調整する必要がない。そのため、振動ジャイ
ロ１０の調整を簡略化することができる。また、ドリフ
トを抑制することができるため、正確に回転角速度を検
出することができる。

【００２１】なお、回転角速度に対応した信号は、図４
に示す場合だけでなく、回転角速度の方向や大きさによ
って、信号の極性や大きさが変わる。しかしながら、ど
のような場合でも、上述と同様にして、回転角速度に対
応した信号のみを測定することができる。そして、どの
ような場合でも、圧電素子１６ａ，１６ｂの信号の位相
差を無視することができる。また、駆動信号としては鋸
歯状波だけでなく、正弦波などを使用しても同様の結果
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例を示す図解図である。

【図２】図１に示す振動ジャイロの振動子を示す斜視図
である。

【図３】図２に示す振動子の断面図である。

【図４】振動子の２つの圧電素子から出力される信号を
示す波形図である。

【図５】同期信号発生回路に入力される信号および同期
信号発生回路から出力される信号を示す波形図である。

【図６】平滑回路に入力される信号を示す波形図であ
る。

【図７】平滑回路から出力される信号を示す波形図であ
る。

【図８】差動回路から出力される信号を示す波形図であ
る。

【図９】従来の振動ジャイロの一例を示す図解図であ
る。

【符号の説明】

１０ 振動ジャイロ １２ 振動子 １４ 振動体 １６ａ，１６ｂ，１６ｃ 圧電素子 ３６ ＦＥＴ ３８ 同期信号発生回路 ５０ 平滑回路 ５６ ＦＥＴ ５８ 同期信号発生回路 ７０ 平滑回路 ７２ 差動回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 柱状の振動体、 前記振動体の側面に形成される複数の圧電素子、 前記圧電素子のそれぞれの出力信号に同期した信号を出
   力するための複数の同期信号発生回路、 前記同期信号発生回路の出力信号に同期して前記圧電素
   子のそれぞれの出力信号を検波するための複数の同期検
   波回路、 前記同期検波回路のそれぞれの出力信号を平滑するため
   の複数の平滑回路、および前記平滑回路の出力信号の差
   を得るための差動回路を含む、振動ジャイロ。